《Journal of Manufacturing Processes》：Ultrafine-grained ultrasmooth surfaces induced by radial tool vibration in diamond turning
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摘要在多晶金属的超精密加工中，实现晶粒细化同时保持超光滑表面完整性（表面粗糙度在纳米量级）仍然是一项实践挑战。本研究在金刚石车削中引入径向刀具振动，实现了多晶铜表面超细晶与超光滑表面的同步形成。实验结果表明，与产生超光滑但晶粒粗大的传统切削不同，振动辅助切削能够生成均匀的亚微
摘要
在多晶金属的超精密加工中，实现晶粒细化同时保持超光滑表面完整性（表面粗糙度在纳米量级）仍然是一项实践挑战。本研究在金刚石车削中引入径向刀具振动，实现了多晶铜表面超细晶与超光滑表面的同步形成。实验结果表明，与产生超光滑但晶粒粗大的传统切削不同，振动辅助切削能够生成均匀的亚微米晶粒层，同时保持纳米级表面粗糙度。电子背散射衍射和透射电子显微镜分析证实，表面附近形成了致密的超细晶以及高密度位错。晶体塑性有限元与元胞自动机仿真揭示，径向振动增强了局部应力与塑性应变，导致位错加速积累并激活动态再结晶。尽管微观组织显著细化，纳米压痕结果表明硬度变化仅呈中等程度。这些发现表明，径向刀具振动能够实现表面生成与微观组织演化的可控耦合，为制备具有定制超细晶组织的超光滑表面提供了可行途径。
引言
超精密单点金刚石车削能够实现纳米级粗糙度的表面制造，在先进工程应用中的高性能部件制造中发挥着核心作用[1]。然而，对于多晶金属而言，传统的单点金刚石车削工艺主要优化几何精度和表面质量，而加工表面的微观组织状态在很大程度上仍处于不可控状态[2]。特别是，多晶铜的金刚石车削通常会形成晶粒相对粗大、残余应力较高的表面，这会降低力学性能，并在苛刻服役条件下影响长期可靠性[3]。因此，在超精密切削过程中同时控制表面形貌和晶粒细化仍然是一项实践挑战。
表面晶粒细化被广泛认为是通过晶界强化和位错相互作用提升力学性能的有效策略。研究者通过自下而上和自上而下的方法投入了大量精力来减小晶粒尺寸。自下而上的方法包括快速凝固、电沉积和磁控溅射[4]，通过原子级组装构建纳米晶结构；自上而下的方法，如严重塑性变形技术[5]、[6]、[7]，通过渐进应变积累来细化晶粒。尽管这些方法能够实现显著的晶粒细化[8]、[9]、[10]，但它们通常需要较大的成形力或复杂的工艺路线，限制了其在大型或高精度部件中的适用性。表面工程技术，包括喷丸强化、表面机械研磨和摩擦搅拌加工[11]、[12]、[13]，通过在表面引入纳米结构层提供了另一种途径。然而，这些方法往往导致过大的塑性变形，引起表面粗糙化并降低表面完整性[14]、[15]、[16]。因此，现有的晶粒细化策略与超精密单点金刚石车削仍然不太兼容，因为在金刚石车削中，确定性的材料去除和超光滑表面质量至关重要。
振动辅助切削已被广泛研究作为修改精密加工中切削运动学和变形行为的方法。由Mann等人[17]系统建立的调制辅助切削基础概念表明，外部施加的工具运动运动学调制可以根本性地改变材料去除行为并提高切削操作中的工艺性能。Moriwaki和Shamoto早期的开创性研究进一步建立了振动/椭圆振动辅助切削的理论和实验基础，表明受控的刀具-工件相对振动可以显著改变切屑形成机理并降低切削力，同时实现确定性表面生成[18]、[19]、[20]、[21]。这些工作共同定义了振动辅助切削的核心框架，并阐明了其在精密制造中的长期作用，而非新兴概念。超声振动辅助切削，特别是椭圆振动切削形式，可以产生复杂应力状态并增强塑性变形，从而促进金属材料晶粒细化[22]、[23]、[24]、[25]。先前的研究表明，超声振动辅助切削可以显著减小不锈钢、中碳钢和Ti-6Al-4 V合金等材料的晶粒尺寸并改善表面性能[26]、[27]、[28]，这主要归因于高频刀具-工件相互作用所诱发的高应变率、位错活动加剧和动态再结晶[29]。然而，这些优势往往伴随着表面粗糙度增加和切削行为不稳定，限制了其在制造超光滑表面方面的适用性。快换刀具伺服辅助金刚石车削提供了一种高度可控且确定性的方法，用于高精度制造复杂光学曲面和自由曲面[30]、[31]、[32]、[33]。尽管其具有卓越的灵活性，但现有研究主要集中在几何成形能力上，而其对微观组织演化的影响，特别是晶粒细化，在很大程度上仍未得到探索。鉴于快换刀具伺服的方向灵活性，从原则上讲，刀具运动可以被重构为在切削过程中引入径向振动，这有望在保持材料去除机制的同时对加工表面施加额外的循环变形，从而促进应变积累和微观组织细化。此外，从制造系统角度来看，这种最小化改造的策略与新兴的节约型制造范式相一致，即通过对现有系统的低成本适应来实现工艺创新，同时可能消除对资源密集型二次表面处理的依赖[34]。
从建模角度来看，基于唯象本构定律的传统有限元方法，如Johnson-Cook模型，虽然能够捕捉宏观变形，但无法解析晶格尺度的各向异性塑性和微观组织演化[35]。晶体塑性有限元建模通过引入取向依赖的变形机制提供了更具物理基础的框架[36]、[37]、[38]。当与动态再结晶模型和元胞自动机耦合时，这类方法能够模拟热机械载荷下的晶粒形核、生长和细化[39]、[40]、[41]。尽管基于位错密度和元胞自动机的模型已成功应用于预测铜及其他金属的晶粒演化[42]、[43]、[44]，但在振动辅助超精密切削过程中，特别是在径向调制刀具运动下，控制微观组织演化的机理仍未得到充分理解。
本研究证明，在单点金刚石车削中由快换刀具伺服实现的径向刀具振动可以同时诱导多晶铜表面形成超细晶层和超光滑表面。通过引入高频径向振荡，在加工表面施加动态应变场，促进塑性应变积累同时保持确定性材料去除。结合实验表征和晶体塑性-元胞自动机耦合仿真，揭示了振动诱发晶粒细化的内在机理，包括位错积累、动态再结晶和晶粒再分割。本工作确立了径向振动辅助金刚石车削作为实现超细晶超光滑表面的有效途径，并为理解面心立方金属超精密加工中表面形成与微观组织演化之间的耦合提供了新的见解。
章节摘录
实验细节
实验配置如图1所示。该装置集成了超精密金刚石车削系统与快换刀具伺服单元，能够在加工过程中实现刀具运动的精确控制。如图1a-c所示，系统由三轴超精密单点金刚石车削机床、快换刀具伺服装置和信号发生器组成。机床配备旋转C轴主轴、用于径向进给的X轴和用于轴向定位的Z轴。工件通过真空吸盘安装在主轴上，
传统切削与振动辅助金刚石车削
超精密加工后多晶铜的表面形貌如图3所示。传统切削和振动辅助切削均产生了纳米级粗糙度的表面，表明在所选条件下表面生成稳定。对于传统超精密切削（第一行），表面在测量区域内总体保持光滑。白光干涉图像（图3a）显示了与底层晶粒对应的轻微高度变化
结论
径向振动辅助金刚石车削能够同时实现多晶铜表面超细晶微观组织与超光滑表面，在特定振动辅助切削条件下，不损害纳米级表面质量的前提下，实现了表面完整性与近表面微观组织细化的协同提升。主要结论总结如下：
作者贡献声明
王占峰： 初稿撰写、调查研究。刘平： 形式化分析、数据整理。唐友亮： 方法论、调查研究。朱子豪： 软件开发、方法论。高康平： 形式化分析、数据整理。姜贝贝： 审阅与编辑、资金获取、概念构思。张俊杰： 审阅与编辑、监督指导、项目管理。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述工作的客观性。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（52305497和52275416）、江苏省自然科学基金（BK20241978）、宿迁市人才英雄计划（SQXY202430）、江苏省科技协会青年人才支持计划（JSTJ-2024-646）以及江苏省青蓝工程和江苏省青蓝工程优秀教学团队（苏师函[2024]第14号）的支持。
王占峰|刘平|唐友亮|朱子豪|高康平|姜贝贝|张俊杰
